智能加速度傳感器的設計

1 引言

對于傳統(tǒng)的加速度傳感器而言，由于只具有感知環(huán)境，輸出模擬信號的功能，應用范圍受到了很大限制，譬如，在車輛振動測試行車試驗中，就需要配置電腦、數(shù)據(jù)采集卡等設備。不但設備昂貴，而且由于車輛需要在行駛過程中測試，所以就必須加長信號傳輸線，既帶來了測量的不便，也導致由于外界環(huán)境的干擾測試誤差的加大?，F(xiàn)有的測振儀由于存在著大多價格昂貴，操作復雜，測量精度較低的缺陷，很大程度上限制了它的廣泛應用。

本文設計了一種智能壓阻式加速度傳感器，有效地克服了對于傳統(tǒng)加速度傳感器的輸出特性容易受噪聲、溫度、電源紋波、濕度等多種因素的干擾，避免了應用場合的局限性，實現(xiàn)了加速度的精確測量。

2 硬件組成

根據(jù)智能加速度傳感器的使用要求，在硬件電路上主要考慮以下幾方面的問題 ：盡量采用集成化程度高的芯片，以減小主機體積，滿足便攜使用要求;采用低功耗的元器件，滿足儀器長時間工作要求;選用寬工作溫度范圍的元器件，滿足儀器在戶外工作條件。根據(jù)以上原則構(gòu)建了智能傳感器的硬件電路，其組成如圖1所示。智能加速度傳感器主要由敏感元件、信號調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換器、典型的單片機系統(tǒng)、鍵盤和電源等組成。

智能加速度傳感器的工作原理是 ：敏感元件將測點的加速度信號轉(zhuǎn)換為相應的電信號，進入前置放大電路，經(jīng)過信號調(diào)理電路改善信號的信噪比，再進行模數(shù)轉(zhuǎn)換得到數(shù)字信號，最后送入計算機，計算機再進行數(shù)據(jù)存儲和顯示。

2.1 敏感元件

系統(tǒng)采用在目前廣泛應用于工業(yè)自動控制、汽車及其它車輛、振動及地震測試，科學測量等領(lǐng)域的硅微加速度傳感元件，其結(jié)構(gòu)及等效橋式電路如圖2所示。

當傳感元件以加速度a運動時，質(zhì)量塊受到一個與加速度方向相反的慣性力作用，發(fā)生與加速度成正比a的形變，使懸臂梁也隨之產(chǎn)生應力和應變。該變形被粘貼在懸臂梁上的擴散電阻感受到。根據(jù)硅的壓阻效應，擴散電阻的阻值發(fā)生與應變成正比的變化，將這個電阻作為電橋的一個橋臂，通過測量電橋輸出電壓的變化可以完成對加速度的測量[1]。

2.2 P89LPC932單片機系統(tǒng)

作為智能傳感器的核心，單片機的選用主要是考慮到智能傳感器的測量速度、精度、分辨率和其本身的數(shù)據(jù)處理能力，并且還要考慮到其與計算機的網(wǎng)絡通訊功能。文中選擇具有高集成度、低功耗、低成本等特點的P89LPC932單片機作為其作智能傳感器的微控制器。它采用高性能的處理器結(jié)構(gòu)，指令執(zhí)行時間只需2～4個時鐘周期，6倍于標準80C51單片機，并且具有增強型UART，具有幀錯誤檢測、自動地址檢測和通用的中斷功能，I2C和SPI通訊端口。并且P89LPC932還集成了許多系統(tǒng)級的功能，可大大減少元件的數(shù)目并降低了系統(tǒng)的成本。同時，考慮到智能加速度傳感器在測試過程中需要記錄大量數(shù)據(jù)，單片機系統(tǒng)專門配置了全集成化并且不需設計刷新控制接口的8kB動態(tài)RAM2186，作為數(shù)據(jù)存儲器。